作者:罗军华等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/5/12 18:06:29
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罗军华团队开发高性能偏振光探测器

中国科学院福建物构所罗军华团队首次报道了一种基于二维/三维杂化钙钛矿异质结单晶的偏振光探测器。该探测器表现出优异的偏振光探测性能,包括超高的偏振灵敏度、大光暗电流开关比和高探测率。

偏振光电探测器是光通讯技术的核心部件之一,在近场成像、遥感和高分辨探测等领域有着广阔的应用。偏振光探测器的制备对工作介质有很高的要求,除了优良的光吸收能力外,材料本身还需具有不对称的形态或晶体结构,上述特性使得材料能够展现出各向异性的光响应能力。近年来,二维有机-无机杂化钙钛矿作为一类新兴的低维半导体材料,因其独特的结构各向异性和化学多样性,在偏振光电探测方面已经取得了重大的发现和进展。然而,受其光学吸收的限制,在二维有机-无机杂化钙钛矿材料中实现高偏振灵敏度仍然是一个巨大的挑战。

科院福建物质结构研究所罗军华团队通过 “异质结构筑”策略,设计并生长了一类新型的二维/三维单晶杂化钙钛矿异质结 (4-AMP)(MA)2Pb3Br10/MAPbBr3 (MA = 甲胺; 4-AMP = 4-氨甲基哌啶),并首次将这一材料体系应用于偏振光电探测的研究。

该种单晶异质结具有诸多优势:

Ÿ 载流子传输高效。相比于绝大部分薄膜材料,晶体材料因其极低的缺陷密度为载流子高效传输提供了理想的介质,光电响应能力更加优异。

Ÿ 将二维材料与三维材料完美结合。构筑的二维/三维异质结晶体不仅具有二维材料的结构各向异性,而且具有三维材料优异的半导体特性,包括强光吸收能力、高自由载流子浓度和高载流子迁移率。

Ÿ 形成内建电场。由于(4-AMP)(MA)2Pb3Br10与MAPbBr3两相间的电荷相互作用,在异质结晶体界面处产生了强内建电场。该内建电场使得器件可在零偏压工作的同时促进光生载流子的有效分离。

在内建电场的驱动(零偏压)下,基于该二维/三维异质结晶体的光电探测器表现出极高的偏振灵敏度,偏振比高达?17。此偏振比远远超过了二维纯相有机-无机杂化钙钛矿材料(?2),是目前杂化钙钛矿材料偏振探测器件报道的最高值。研究表明,异质结的内建电场可抑制载流子的复合,为载流子分离/传输提供了有效的驱动力,是获得高偏振灵敏度的主要原因。同时,此偏振光电探测器还具有大的光暗电流开关比(?105)和高探测率(?1010)。上述结果说明,该异质结构筑策略取得了1+1>2的效果,为设计高偏振特性的光电探测材料开辟了新途径,同时进一步拓展了有机-无机杂化钙钛矿材料在智能光电器件中的应用。

研究以“Rational design of high-quality 2D/3D perovskite heterostructure crystals for record-performance polarization-sensitive photodetection”为题在线发表于National Science Review,科院福建物质结构研究所博士生张馨元为第一作者,科院福建物质结构研究所罗军华研究员为论文的共同通讯作者。(来源:科学网)

相关论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab044

 
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